DE2313818A1

DE2313818A1 - Veraenderbare wellenleiterimpedanz zum messen und eichen eines aktiven mikrowellenelements

Info

Publication number: DE2313818A1
Application number: DE2313818A
Authority: DE
Inventors: Gyorgy Geza Endersz
Original assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Current assignee: Telefonaktiebolaget LM Ericsson AB
Priority date: 1972-03-21
Filing date: 1973-03-16
Publication date: 1973-09-27
Also published as: GB1422564A; US3828282A; JPS498152A; NL7303826A; FR2176938A1; SE365656B

Description

Die Erfindung betrifft eine veränderbare Wellenleiterimpedanz für eine Verwendung in einem Wellenleiterleitungsglied, das als Belastung an ein aktives Mikrowellenelement in Form eines Zweipols oder Vierpols zum Messen, Eichen und für Feldprüfungen des Elementes geschaltet ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine veränderbare Wellenleiterimpedanz, mit der eine genauere Untersuchung eines aktiven MikrowelleneLementes durchgeführt werden kann, als es mit den herkömmlichen Vorrichtungen möglich ist.

In der Mikrowellentechnik werden aktive Mikrowellenelemente in Zweipol- oder Vierpolform, wie z.B. Klystrons, Hohlraumhalblei'· teroszillatoren, Verstärker usw., verwendet. Die Schwierigkeit mit derartigen Elementen innerhalb des MikrowellenbereiGhes besteht darin, dass es nicht möglich ist, in der gleichen einfachen Weise wie mit entsprechenden Elementen in niedrigeren Frequenzbereichen, z.B. mittels äquivalenter Stromkreise oder dergleichen, die Kennziffern des Mikrowellenelementes in , dem Stromkreis, in den es geschaltet ist, zu ermitteln. Es ist daher notwendig, bestimmte,,genau definierte Grossen und Diagramme für das in Frage stehende Element zu bestimmen. Ein Beispiel stellt die Leistungszahl Q, für Mikrowellenoszillatoren und das sogenannte Rieke-Diagramm dar* Zur Bestimmung eines derartigen Diagramms wird eine veränderbare Last an das zu messende Objekt geschaltet, damit Phase und Grosse des Reflexionsfaktors bestimmt wird. In einem Smith-Belastungsdiagramm ergibt sich hierdurch eine Kreisschar, wobei der Durchmesser eines jeden Kreises den absoluten Betrag des Reflexionsfaktors darstellt. Von diesen Werten kann das Rieke-Diagramm für das Objekt durch Messung der Frequenz und der Ausgangsleistung aufgetragen werden. Gebräuchlich ist es bei Messungen aktiver Mikrowellenzweipole oder -Vierpole der zuvor genannten Art, dass eine veränderbare Last verwendet wird, die mit grosser Genauigkeit reproduzierbare Reflexionsgrade darstellen kann, und dass das Mikrowellenelement über die gesamte Impedanzebene durch

Verändern der Grosse des Reflexionsfaktors zwischen 0 und 1 und seiner Phase zwischen 0 und 2 ι überprüft wird.

Wie bekannt ist, können ein veränderbares Dämpfungsglied und eine verschiebbare, mit dem zu messenden Objekt verbundene Kurzschlussvorrichtung als Belastung für diesen Zweck verwendet werden. Ein anderes bekanntes Verfahren besteht in der Verwendung des mit dem zu messenden Objekt verbundenen Wellenleitergliedes, wobei ein nichtreflektierender Begrenzer und eine Anpassungseinstellschraube derart angeordnet eingebaut sind, dass sowohl der absolute Wert und die Phase des Reflexionsfaktors mit der Einstellschraube eingestellt werden können. Durch die Verwendung von z.B. 3-db Hybrldrichtungskopplern, Phasenreglern und obengenannter Vorrichtungen können auch andere Varianten für den gleichen Zweck aufgetragen werden. Der Nachteil der bekannten Vorrichtungen liegt in der hohen Basisreflektion infolge der Tatsache, dass im Handel befindliche Dämpfungsglieder und Abstimmungsschrauben eine bestimmte minimale Reflexion aufweisen. Dies kann eine Zunahme von Regelabweichungen in der Grössenordnung von etwa 5$ beim Einstellen des Reflexionsfaktors ergeben. Ein anderer Nachteil beim Eichen des zu messenden Gegenstandes besteht darin, dass die bekannten Vorrichtungen zum Ablesen der innerhalb des Bereiches von 0,1 db eingestellten Komponente nicht geeignet sind. Innerhalb dieses Bereiches ist es zügeStandenermassen möglich, ein "Drehplatten"-Dämpfungsglied zu verwenden, mit dem ein genaueres Ablesen als mit den herkömmlichen Dämpfungsgliedern möglich ist. Jedoch infolge der Wellenformumwandlung zwischen einem rechteckförmigen und einem kreisförmigen Wellenleiter weist letzterer eine zu hohe Basisreflexion auf, ( = 0,07). Bei Verwendung zu einer Einheit zusammengesetztere Dämpfungsglieder und Kurzschlussvorrichtungen erweist es sich ferner als nachteilig, dass ausser der unabhängigen Eichung die Einheit zusammengeschaltet geeicht werden muss, um eine korrekte Bestimmung des absoluten H^ffe^o^d f³/^ ,Phase des Reflexionsfaktors zu ermöglichen.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine veränderbare Wellenleiterimpedanz für die Messung bestimmt spezifischer Mengen eines aktiven Mikrowellenelements zu erhalten, dessen Impedanz eine grössere Dichte sowie geringere Basisdämpfung und Basisreflexion als bisher bekannte Vorrichtungen bei Geringhalten eines Messfehlers aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine veränderbare Wellenleiterimpedanz zu erzielen, die im Unterschied zu den bekannten Impedanzen derselben Art nur einmal geeicht zu werden braucht. ' -

Kurz gesagt besteht das Prinzip der Vorrichtung gemäss der Erfindung darin, in einem einzelnen Wellenleiterleitungsglied einen nichtreflektie'renden Begrenzer und eine Kurzschlussvorrichtung ohne metallischen Kontakt in derart einzubauen, dass sie relativ zueinander und zusammen entlang des Wellenleiterleitungsgliedes bewegbar sind. Für die Messung auf dem Mikrowellenelement wird letzteres an das Wellenleiterleitungsglied geschaltet. Da die Relativstellungen des Begrenzers und der Kurzschlussvorrichtung variierbar sind, können die Reflexionsfaktoren zwischen einem minimalen, von der Qualität des Begrenzers bestimmten absoluten Wert und einem maximalen, von der Qualität der Kurzschlussvorrichtung bestimmten absoluten Wert eingestellt werden. Die Phase des Reflexionsfaktors kann sowohl durch Verschiebung des Begrenzers als auch der Kurzschlussvorrichtung eingestellt werden.

Die Erfindung wird nur durch die anliegenden Patentansprüche begrenzt. ' ■

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung beschrieben. In letzterer sind:

Fig. 1 eine Draufsicht einer veränderbaren Wellenleiterimpedanz gemäss der Erfindung teilweise im Schnitt,

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Fig. 2 eine Seitenansicht der Impedanz der Pig. I teilweise im Querschnitt, und

Fig. 3 eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, die zeigt, wie die Wellenleiterimpedanz auf einem Gestell mit einem zugeordneten Messgerät gelagert ist.

Fig. 1 zeigt die veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss der Erfindung eingegliedert in ein Wellenleiterleitungsglied, dessen Feldwiderstand bekannt ist. Die effektive Impedanz besteht aus einem Begrenzer la,Ib und einer Kurzschlussvorrichtung 2a,2b. Beide Teile des Begrenzers sind auf einem Joch 3 aus einem metallischen Material angeordnet, wobei das Joch wiederum auf einer Welle 4 gelagert ist. Beide Teile 2a,2b der Kurzschlussvorrichtung sind auf einer Welle 5 mit kleinerer Querschnittsfläche als der der Welle 4 gelagert. Da die Welle 4 hohl ist, kann die Welle 5 relativ zu ihr bewegt werden, wodurch die Stellung der Kurzschlussvorrichtung relativ zu dem Begrenzer variiert werden kann. Eine äusserste Stellung der Kurzschlussvorrichtung ist in Fig. 1 in gestrichelten Linien gezeigt. Die Bewegung vollzieht sich durch den Umstand, dass die Welle 5 mechanisch mit einer Mikrometervorrichtung, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben werden wird, gekoppelt ist. Mittels dieser Mikrometervorrichtung wird die Wellenleiterimpedanz derart geeicht, dass für eine gegebene Stellung der Kurzschlussvorrichtung 2a,2b relativ zu dem Begrenzer la,Ib der absolute Wert des Reflexionsfaktors auf der Skala der Mikrometervorrichtung abgelesen werden kann. Die Welle 4 ist mit einer in Fig. 2 gezeigten Kurbelvorrichtung verbunden, die, wie auch die Mikrometervorrichtung, auf einem Gestell 8 gelagert ist. Das Gestell 8 nimmt das Wellenleiterleitungsglied 6 auf, das dazu bestimmt ist, sowohl die veränderbare Wellenleiterimpedanz einzuschliessen, als auch zur Messung an das Objekt geschaltet zu werden. Durch Drehen der Kurbelvorrichtung, die in Verbindung mit Fig. 3 beschrieben werden wird, kann die Wellenleiterimpedanz relativ zu dem Gestell und dem Wellen-

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Leiterleitungsglied bewegt werden, wodurch die Phase des Reflexionsfaktors verändert werden kann.

Fig. 5 illustriert schematisch die Halterung der Mikrometervorrichtung und der KurbeIvorrichtung" auf dem Gestell 8. Die Mikrometervorrichtung 10 mit einer zugeordneten Skala 15 ist auf einem Träger 11 angeordnet, der starr mit einem Pührungszylinder 15 verbunden ist. Die Welle 4 und¹ der Führungsz. ylinder 15 sind im Gestell verschiebbar gelagert, wie in der Figur gezeigt ist, und die Welle 4 ist starr mit einem ortsfesten Teil der Mikrometervorrichtung verbunden. Die Welle 5 j deren Ende als E ins teil drehknopf 14 der Mikrometervorrichtung ausgebildet ist, ist in einen mit einem Gewinde versehenen Teil 12 des ortsfesten Teils der Mikrometervorrichtung eingeschraubt. Wenn der Drehknopf 14 gedreht wird, wird die Welle 5 relativ zum Träger 11 verschoben, wodurch die Welle 5 im Verhältnis zur Welle 4 in Abhängigkeit von dem voreingestellten Wert auf der Skala 15 der Mikrometervorrichtung entsprechend unterschiedlicher Grosse des absoluten Wertes des Reflexionsfaktors verschiebbar ist. Mit l6 ist eine Kurbe!vorrichtung bezeichnet, mit der eine Welle 17 gedreht werden kann, die sich in Schraubenverbindung mit dem Führungszylinder 15 befindet. Wie jedoch aus der Figur hervorgeht, ist die Welle I7 in ihrer axialen Lage relativ zu dem Gestell 8 unbeweglich, aus welchem Grunde bei ihrer Drehung der Führungszylinder 15 relativ zu dem Gestell 8 bewegt wird. Auf diese Weise werden die gesamte Mikrometervorrichtung 10 und die Wellen 4,5 zusammenrelativ zu dem Gestell 8 bewegt, wenn die Kurbelvorrichtung 16 gedreht wird, wodurch die Phase des Reflexionsfaktors eingestellt werden kann. Die Kurbe!vorrichtung l6 kann mit einem nicht dargestellten Zählwerkmechanismus gekoppelt werden, wodurch es möglich wird, den Phasenwert des Reflexionsfaktors zu eichen. Mittels einer Schraube 9 kann die Lage des Wellenabschnitts 12 im Verhältnis zu dem Wellenabschnitt 11 fixiert werden, so dass die Lage der Welle 5 i^m Verhältnis zur Welle 4 festgelegt wird. Mit l8,19 sind zwei Gewindebohrungen in dem Gestell 8 bezeichnet, in denen das Wellenleiterleitungsglied 6 mittels Schrauben, wie Ln den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, befestigt werden kann.

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Der Begrenzer besteht aus zwei dämpfenden Pyramiden la,Ib gleicher Abmessung und sehr geringer Reflexion. Jede Pyramide ist vorzugsweise mit einer rechteckigen Grundfläche und mit einer mit letzterer einen rechten Winkel bildenden Seitenfläche ausgebildet, die entweder der entsprechenden Seitenfläche der anderen Pyramide zugewandt ist, oder umgekehrt von der entsprechenden Seitenfläche der anderen Pyramide, wie in Fig. 1 dargestellt ist, wegstrebt. Die Grundfläche jeder Pyramide ist auf dem Joch j5 befestigt, dessen einer Arm vorzugsweise langer als der andere ist, so dass die Spitzen der Pyramiden im Verhältnis zueinander in Längsrichtung des Wellenleiterleitungsgliedes versetzt sind. Die Länge der Verschiebung d sollte vorzugsweise ein Viertel der in dem Wellenleiter auftretenden Welle sein, so dass gewährleistet wird, dass die von der Spitze der Pyramide Ib reflektierte Welle nach der Reflexion an dieser Spitze im Verhältnis zu der an der Spitze der Pyramide la reflektierten Welle um eine halbe Wellenlänge phasenverschoben ist. Auf diese Weise kann ein minimaler Wert des absoluten Wertes des Reflexionsfaktors in einer Grössenordnung von 0,01 erzielt werden.

Die Kurzschlussvorrichtung besteht aus zwei metallischen Zylindern 2a,2b einer an sich bekannten Bauart, z.B. mit kreisförmigem Querschnitt. Diese Form der Kurzschlussvorrichtung erweist sich im vorliegenden Fall als geeignet, da letztere sich leicht in dem Raum zwischen den beiden Pyramiden la,Ib bewegen kann. Die Entfernung zwischen den beiden Zylindern 2a,2b sollte so klein wie möglich sein, so dass die Entfernung zwischen den beiden äussersten Stellungen der Kurzschlussvorrichtung nicht zu gross ist.-Ferner sollte der Querschnitt des Wellenabschnitts 20 zwischen den beiden Zylindern beträchtlich kleiner sein als der Querschnitt der Welle 5. Es ist auch möglich, mehr als zwei Zylinder als Kurzschlusselement zu verwenden. Diese müssen in einem derartigen Fall die Eigenschaft hoher Impedanz für das Mikrowellenfeld in dem Wellenleiterleitungsglied an einer sei-

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ner Querschnittsflächen und niedriger Impedanz an der anderen ^uerschnittsfläche aufweisen, um eine abwechselnde hohe und niedrige Impedanzangleichung zu gewährleisten.

Das zu untersuchende aktive Mikrowellenelement wird an das Wellenleiterleitungsglied 6 über einen Flansch 7 geschaltet. Jetzt ist es möglich, verschiedene Werte des Reflexionsfaktors einzustellen, sowohl hinsichtlich seines absoluten Wertes als auch seiner Phase, wodurch eine veränderte Last für das zu untersuchende Mikrowellenelement erhalten wird. Durch Drehen der Kurbelvorrichtung 16 werden die Wellen 4 und 5 zusammen relativ zu dem Gestell 8 verschoben,- wodurch der Phasenwinkel des Reflexionsfaktors variiert wird. Anstelle durch Einstellen der Mikrometervorrichtung auf verschiedene Werte wird die Kurzschlussvorrichtung 2a,2b relativ zu dem Begrenzer verschoben, so dass unterschiedliche Grösseri des .absoluten Wertes des Reflexionsfaktors erhalten werden können. Die Grosse des Reflexionsfaktors sollte geeigneter Weise zuerst durch Verstellung der Mikrometervorrichtung in die gewünschte Stellung eingestellt werden. Die Kurzschlussvorrichtung wird dann an dem Begrenzungsmechanismus mit einer Arretierschraube 9 verriegelt. Die Phase des Reflexionsfaktors wird darauf durch Einstellen des gewünschten Wertes an dem mit der Welle 5 verbundenen Zähle rmechanismus mittels der Kurbe!vorrichtung 16 eingestellt.

Der Begrenzter sollte vorzugsweise aus Perritmaterial bestehen, und es sollte entweder für den Bergrenzer -und das Joch das gleiche Material verwendet werden, oder das Joch sollte aus einem massiven metallischen Material, wie z.B. einer Kupferlegierung, bestehen. Der Begrenzer kann auch aus einem metallisierten Nichtleiter, wie z.B. aus einem mit einem Metallfilm überzogenen Glas, hergestellt sein.

Die veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss der Erfindung erweist sich insbesondere durch ihre Kompaktheit als vorteilhaft, da somit zusätzliche mechanische Teile abgesehen von für ein

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Dämpfen und Kurzschliessen des ankommenden Mikrowellenfeldes erforderliehen Teile nicht nötig sind, so dass das Feld durch unnötige Konstruktionsteile in dem Wellenleiterleitungsglied nicht gestört wird. Da die Impedanz eine integrale Einheit bildet, braucht sie nur einmal geeicht zu werden, im Gegensatz zu veränderbaren Impedanzen bekannter Art, bei denen jeweils die Komponenten der Einheit unabhängig voneinander sowie abermals bei jeder Zusammensetzung der Impedanz geeicht werden müssen.

Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

iJ) Veränderbare Wellenleiterimpedanz zur Messung und Eichung aktiver Mikrowellenelemente, wie z.B„ von Mikrowellenzweipolen oder -vierpolen, wobei ein Wellenleiterleitungsgli^ed, das die veränderbare Impedanz als Last enthält, für eine Schaltung an das zu untersuchende Element angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz einen nichtreflektierenden Begrenzer (la,Ib) und eine Kurzschlussvorrichtung (2a,2b) im Wellenleiterleitungsglied aufweist,jedoch nicht in metallischer Berührung mit dem innerhalb des Mikrowellenfeldes angeordneten Teil des Wellenleiterleitungsgliedes, und dass zum Einstellen des absoluten Wertes und der Phase des Reflexionsfaktors die Kurzschlussvorrichtung relativ zu dem Begrenzer sowie letzterer und die Kurzschlussvorrichtung relativ zu dem Wellenleiterleitungsglied (S) verschiebbar angeordnet sind.

2«) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Begrenzer aus zwei pyramidenförmigen Teilen (la,Ib) besteht, .deren Grundfläche jeweils auf einem Joch (J) gelagert ist, das sich quer zur Richtung des Wellenleiterleitungsgliedes (6) erstreckt und auf einer, ersten verschiebbaren Welle (4) montiert ist, und dass die Kurzschlussvorrichtung aus einer Anzahl eine hohe und niedrige Impedanz aufweisender, vorzugsweise zylindrischer, metallischer Teile (2a,2b) besteht, die in feststehenden wechselnden Intervallen auf einer zweiten Welle (5) montiert sind, die zur ersten Welle (4) konzentrisch, verschiebbar und mit letzterer verriegelbar ist.

3.) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Justierteil mit einer ersten Verschiebungsvorrichtung (l6,ll) für ein gleichzeitiges

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Verschieben der beiden Wellen (4,5) und eine zweite Verschiebungsvorrichtung (12,14) für eine Verschieben der zweiten Welle (5) relativ zur ersten Welle (4) vorgesehen ist.

4.) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verschiebungsvorrichtung einen Pührungszylinder (13) aufweist, der durch Drehung einer in letzteren eingeschraubten Welle (I7) in Längsrichtung des Wellenleiterleitungsgliedes für ein gleichzeitiges Mitnehmen der zweiten Verschiebungsvorrichtung, in der beide Wellen befestigt sind, verschoben werden kann, unddass die zweite Verschiebungsvorrichtung starr mit der ersten Welle (4) verbunden ist und über ein Schraubengewinde mit der zweiten Welle (5) in Eingriff steht, deren Ende als Drehknopf einer Mikrometerschraube ausgebildet ist.

5.) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (5) aus demselben Material wie die pyramidenförmigen Teile (2a,2b) besteht.

6.) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (3) aus einem metallischen Material, z.B. einer Kupferlegierung, und die pyramidenförmigen Teile (2a,2b) aus einem Ferritmaterial bestehen.

7.) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 5 6, dadurch gekennzeichnet, dass die pyramidenförmigen Teile (2a,2b) derart auf dem Joch (3) montiert sind, dass ihre Spitzen in Längsrichtung des Wellenleiterleitungsgliedes versetzt sind und dass eine Seitenfläche eines jeden pyramidenförmigen Teils einen rechten Winkel mit der mit dem Joch (5) im Eingriff befindlichen Oberfläche bildet.

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8.) Veränderbare Wellenleiterimpedanz gemäss Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, dass diese Seitenfläche eines jeden pyramidenförmigen Teils (2a,2b) der Innenwand des Wellenleiterleitungsgliedes zugewandt ist.